JP6608518B2

JP6608518B2 - 電池システム制御ネットワーク及びそのリセット方法

Info

Publication number: JP6608518B2
Application number: JP2018241056A
Authority: JP
Inventors: ▲うぇい▼岷蕭; 國光任; 正乾林; 富民方
Original assignee: 國家中山科學研究院
Priority date: 2017-12-26
Filing date: 2018-12-25
Publication date: 2019-11-20
Anticipated expiration: 2038-12-25
Also published as: JP2019118102A; TWI646802B; TW201929487A

Description

本発明は、電池システム制御技術に関し、特に、電動車両高電圧電池システムに用いられる制御ネットワーク及びそのエラー検知・リセット・メカニズムに関する。

CAN BUS通信インターフェースが車用システム規格の通信プロトコルである。CAN BUS通信インターフェースが発展される前に、車載システム中の様々な電子コンポーネントが、多くは、ピアツーピア方式でデータの伝送及び制御命令の送達を行い、統合した通信インターフェースが欠けている。1980年代初め頃、ドイツのBosch社は、最初にController Area Network（CAN）通信プロトコルを提案し、それは、絶えず進化し続ける車用システムに用いられ、簡単な直列インターフェースにより車載システム内の各センサ及び制御システムを統合することができる。CAN BUS通信プロトコルの発展に伴い、ISO（International Standards Organization）及びSAE（Society of Automotive Engineers）という２つの国際組織は、CANの通信レート及び応用分野に基づいて、ISO11898、ISO11519、及びSAE J19392を含む関連規格を制定している。また、CANの応用分野は、車用システムの他に、工業制御、医療機器、自動化制御などの分野も幅広く含む。

CAN BUS通信インターフェースの発展の目的は、各種の電子コンポーネントを統合し、ピアツーピア通信方式の代わりにインテリジェント化されたデータノードにより、また規格化された通信プロトコルを採用することで、すべてのシステムノードが同一のデータバスを経由してデータの伝送及び制御を行うようにさせることにある。CAN BUS通信インターフェースは、全二重通信プロトコルであり、また、データの伝送は、従来のアドレスにより行われるのでなく、情報の方式で、データをデータパッケージにした後に、差動信号に変換し、データバスに送ることにより行われるのである。データパッケージが情報の方式で伝送されるため、CAN 2.0Bでは、29ビットのデータ識別子（Identifier）を提供することができ、2の29乗の通信ノードをサポートし得ることに相当する。よって、多くのデータノードが信号を同時に送信しようとするときに、如何に伝送の効率を有効に保持すべきかについては、CAN BUS通信プロトコルは、Carrier Sense Multiple Access and Collision Detection with Collision Resolution（CSMA/CD-CR）を用いて通信伝送の効率を向上させる手段を取っている。この通信プロトコルにより、通信バスに伝送されたすべてのデータパッケージは、規格化されたフローを経由して外へ伝送することができる。

CAN BUSが使用するデータのタイプは、主に、Data Frame、Remote Frame、Error Frame、及びOverload Frameという４種類がある。そのうち、Error Frameは、各ノードに異常データパッケージが出たときに、CAN制御器により送信され、CAN BUS制御器自体は、２つのエラーカウンタが有り、それぞれ、伝送エラーカウンタ（Transmit Error Counter／TEC）及び受信エラーカウンタ（Receive Error Counter／REC）である。この２つのエラーカウンタを利用して各データノードのエラー情報の累積計算を行い、そして、エラー計数値に基づいて、該ノードの通信機能について異なるレベルの制限を設けることができる。なお、制限は、Error Active、Error Passive、及びBUS Offという３つの程度のものに分けることができる。以下、それぞれ説明する。

（1）Error Active：通信ノードが初期化された後に、且つTEC又はRECの計数値が127よりも小さい場合、すべては、Error Activeの状態にある。Error Activeは、その文字通りの意味は、積極的にエラーを返事するということである。任意のデータパッケージにエラーが生じたときに、Error Frameを送信し、エラーが出たデータパッケージを中断し、各データノードにエラーを返事させ、且つエラーカウンタによる計数を行い、これらの動作を完成した後に、通信バスは、正常な状態に戻り、直前のデータパッケージを再送信し、一回のエラー情報処理を終了する。

（2）Error Passive：TEC又はRECの計数が127よりも大きくなった後に、該通信ノードは、Error Passiveに入り、それは、消極的にエラーを返事するということを意味し、このときに、該通信ノードにはエラー情報が既に一定程度発生しており、このときに、該通信ノードにはエラー情報がさらに発生した場合、依然として、Error Frameが送信され、エラーカウンタによる計数が行われるが、伝送中のデータパッケージが中断されない。しかし、Error Frameの送信が行われた後に、該ノードは、しばらく待った後に、再び情報パッケージを送信する必要がある。

（3）BUS Off：消極的なエラー状態の後に、TECが255よりも大きくなった場合、BUS Offの状態に入る。該データノードは、バイパス状態に相当し、いずれの情報パッケージを送受信することができず、再びError Activeの状態に戻るには、ノードのリセットを行われなければならない。

CAN BUS通信インターフェースは、ロバストな通信プロトコルを有し、これにより、本システムの多くの情報伝送は、データ衝突時に、通信プロトコルによる処理によって、データをその自身のウェイト（重み）に基づいて規則的に外へ伝送することができる。しかし、ロバストな通信プロトコルを有しても、データの衝突及び仲裁を解決し、また、バスの状態をモニタリングする機能を有するだけであり、通信システム中の大量のノイズや突波による干渉が原因で通信バスが不安定なり、ひいては、通信ノードが崩壊した時に、CAN BUS通信プロトコルは、Error Frameによりエラー状態の計数のみを行うことができ、ある通信ノードに過多な伝送エラー（TEC）が生じたときに、通信プロトコルによるエラーの仲裁を与え、最終的に該通信ノードを通信バスから切るしかない。また、異常通信ノードを通信バスから切る主な目的は、欠陥のある情報パッケージが通信バスを長期占拠することを避けるためであり、通信ノードの異常状態を解決するためでない。よって、異常通信ノードについて言えば、受動的なエラー処理が行われている。

グリーンエネルギーへの意識が高まるにつれて、電動自動車、電動機車、電動バスなどの電動乗り物に関連する技術及び製品が盛んに発展している。電動車両について言えば、電気エネルギー運用効率、動力電池管理、及び安全運転規範は、終始、最重要な課題である。電動車両の内部システムがCAN BUSなどの通信プロトコルによるインターフェースをシステム制御ネットワークとして使用することは、今のところ、業界・学界において一般的な選択になっている。しかし、上述のように、CAN BUSは、生まれ付きの設計上の制限が原因で、システム中の通信ノードに異常が発生した時に受動的なエラー処理しか行うことができず、即ち、直接、該エラーノードを通信ネットワークから切り、その送受信機能をオフにすることである。このような処理方法は、電動車電池管理システムについて言えば、ある電池が直接オフにされ、電池システムのエネルギー出力が瞬間に低下し、予め設定された車両全体のエネルギー管理計画が乱され、安全のために車両が走行速度を落とし、ひいては強制停止することを意味する。電動車両自体は、電子素子やサブシステムの数がかなり多く、制御ネットワークのデータ流量が従来の内燃機車両よりもかなり大きいので、通信データが衝突することや、ノイズによる干渉が原因でノードの送受信機能が停止することが生じやすい。これにより、ある通信ノード（１組の電池管理システムを制御する）がCAN BUSエラー処理メカニズムにおけるBUS off状態に入るようにさせることがある。しかし、該ノードが管理・制御する装置（電池）自体は、実際には機能が依然として正常であるが、データ伝送機能が強制的にオフにされ、稼働を停止しなければならない。これは、電動車両制御システム設計ロジック及び安全運転にとって、手を焼く問題である。特に高電圧電池システムを用いる電動バスの場合、そのうちの１つの電池が状態良好にもかかわらず、上述のような通信システムエラーが原因で稼働がオフにされれば、安全運転に直接影響を与えることがあるのみならず、無意味な点検回数及び運営コストの増加にも繋がる。

従来技術の欠点を解決するために、本発明は、電池システム制御ネットワーク及びそのリセット方法を提供し、これにより、電動車両における電池エネルギー管理システムの制御ネットワークが、通信の干渉や情報の衝突などの機械的故障でない原因で電池管理システムの通信ノードをオフにし、電動車両エネルギー管理及び安全運転に影響を与えることを防止できる。

本発明は、電池システム制御ネットワークを提供し、それは、データバスに電気的に接続されるシステム主制御端と、前記データバスに電気的接続される１つ以上の従属端と、を含み、これらの従属端は、それぞれ、１つの電池の電池管理システムの稼働を制御し、且つウォッチドッグタイマー（Watch Dog Timer／WDT）を有し、そのうち、前記システム主制御端は、所定のモニタリング時間毎に、すべての従属端が正常にデータを伝送できるかをモニタリングし、正常に伝送できない従属端についてそのエラー回数を累積加算し、従属端のエラー回数が所定のリセット閾値を超えたときに、前記システム主制御端は、該従属端にリセット命令を送信し、各従属端が正常にデータを伝送できない期間が所定のリセット時間を超えたときに、該ウォッチドッグタイマーは、該従属端に対してリセット動作を行う。

本発明の一実施例では、前記所定のモニタリング時間は0.5秒であり、前記所定のリセット閾値は、5であり、前記所定のリセット時間は、2秒である。

本発明の一実施例では、前記データバスは、CAN BUSである。

また、本発明は、電池管理システム制御ネットワークのリセット方法を提供し、それは、次のようなステップを含み、即ち、
（a）システム主制御端が、所定のモニタリング時間毎に、該データバスにより、すべての従属端に検出情報を送信し、各従属端からの返事があるかをモニタリングし；
（b）従属端が検出情報に対して正常に返事したときに、該システム主制御端は、正常に返事した該従属端のエラー回数をゼロにリセットし、そして、ステップ（a）の動作を繰り返し；
（c）従属端が検出情報に対して正常に返事しなかったときに、該システム主制御端は、正常に返事しなかった従属端のエラー回数に１を加算し、そして、ステップ（a）の動作を繰り返し；及び
（d）従属端のエラー回数が所定のリセット閾値を超えたときに、該システム主制御端は、リセット命令を該従属端に送信し、該従属端を強制的に再起動するようにさせるステップを含む。

本発明の一実施例では、該電池管理システム制御ネットワークのリセット方法は、さらに、次のようなステップを含み、即ち、
（e）従属端が、毎回、データバスからの情報を正常に受信したときに、該ウォッチドッグタイマーをゼロにリセットし；及び
（f）従属端が所定のリセット時間を超えても情報を正常に受信しなかったときに、該ウォッチドッグタイマーは、該従属端に対してリセット動作を行うステップを含む。

以上の概要及び以下の詳細な説明及び図面は、すべて、本発明が所定の目的を達成するために採用する方法、手段、及び機能をさらに説明するためのものである。また、本発明の他の目的及び利点については、後続の説明及び図面において詳細に説明する。

本発明の実施例による電池システム制御ネットワークを示す図である。本発明の実施例によるシステム主制御端リセット方法のロジカルフロー図である。本発明の実施例による従属端リセット方法のロジカルフロー図である。

以下、添付した図面を参照しながら、本発明を実施するための好適な形態を詳細に説明する。なお、このような実施形態は、例示に過ぎず、本発明を限定するものでない。

本発明は、電動バスの高電圧動力電池システムに用いられる。電動バスの電池システムのワーキング電圧（数百ボルト）が従来の内燃機車両の蓄電池（12V、24V）よりも遥かに高く、且つ電池システムが電動バスの主な（唯一の）動力源とされるため、一旦、電池パック中の電池が失効し又は稼働を停止したら、電動バスの走行パフォーマンス及び安全運転に直接影響を与えることがある。よって、電動車、特に電動バスの車上システム制御ネットワークの制御ロジック及び安全規範も、従来の車両と異なる必要がある。従来技術において言及されているCAN BUSエラー処理メカニズムは、エラーが出たノードを車内ネットワークから排除することである。しかし、上述のように、このようなエラー処理メカニズムは、電動車両に直接適用することが適切でなく、且つ車両走行の危険要因を引き起こす可能性がある。よって、本発明は、従来技術の欠点を解決するために、電池システム制御ネットワーク及びそのリセット方法を、電動車両上の電池システム制御メカニズム及び走行安全のニーズを満たすように提供する。

図1は、本発明の実施例による電池システム制御ネットワークを示す図である。図1に示すように、該実施例では、システム主制御端11、複数の従属端121、122、及びデータバス13が含まれ、該システム主制御端は、マイクロコンピュータ又はマイクロコントローラであり、その内部には、各従属端のエラー回数を累積計算するためのエラーカウンタを有する。該従属端は、マイクロコントローラ又はマイクロコンピュータであっても良く、従属端の内部には、データレジスタを有する。これらの従属端は、それぞれ、電池パックの各電池管理システム（Battery Manage System／BMS）に接続され、各電池管理システムの稼働状態情報をシステム主制御端に報告し、また、システム主制御端から伝送されて来た制御命令を受信することができる。該データバスは、車用制御ネットワークに良く用いられるCAN BUSであるが、CANopen、MiCAN、FlexRay、又は他の種類の自動車両システム制御ネットワークであっても良い。本発明を実際に応用するときに、該従属端の数量は、実施例に開示の数量に限定されず、また、電池管理システムに接続される制御機能のみに限定されず、車用制御ネットワークに接続され得る電子素子、例えば、車のライトの制御、ブレーキ制御、ブレーキエネルギーフィードバック制御などの電動車両上の電子素子であれば、すべては、本発明の実施例の記載の制御ネットワークアーキテクチャを、各電子素子の稼働状態をモニタリングするために使用することができる。

本発明の一実施例では、該システム主制御端は、電動車上のエネルギー管理システム（動力電池パックの稼働を管理する）の制御コアであり、該システム主制御端は、システム全体の状態の制御及び充放電の保護スイッチの制動に集中し、また、状態の制御の根拠は、システムの各従属端ノード検出システム（即ち、各電池の電池管理システムBMS）により伝送された情報からであり、よって、これらの情報の正確度及び更新率は、かなり重要である。本発明の一実施例では、該システム主制御端は、0.5秒毎に、すべての従属端ノードのデータレジスタをスキャンイングし、一方では、すべてのパラメータ情報を更新し、他方では、データの紛失があるかを確認し、また、更なるモニタリングを行う。任意の１つの従属端ノードが連続してデータを更新しないときに、次のように２つの可能性があり、即ち、１つは、該従属端ノードに大量のデータの衝突によりデータの紛失が生じており、もう１つは、該従属端ノードが大量の電磁信号のノイズによる干渉を受けてデータバス（CAN BUS）から伝送されて来た情報を正常に受信することができない。このときに、CAN BUSの予め設定されているメカニズムは、該従属端ノードをネットワークから切り、該ノードの伝送機能を無効にするようにさせることができる。電動バスの高電圧動力電池システムの稼働を維持するために、このときに本発明のシステム主制御端は、該従属端ノードのリセット命令を送達することができ、リセット命令の通信プロトコルの情報内容例（CAN BUS通信プロトコルを例とする）は、表1に示されているようである。該従属端ノードをリセットさせた後に、該従属端ノードは、再び情報バスに戻ることができ、これにより、システム主制御端は、該従属端ノードが管理・制御する該電池システムの情報を受信し、車全体の電池システム稼働の制御を行うことができる。

図2は、本発明の実施例によるシステム主制御端リセット方法のロジカルフロー図である。図2に示すように、該システム主制御端は、0.5秒毎に、各従属端の稼働状況を検出する動作を行い（S1）；各従属端の一時データの現在の状況に関する返答情報を受信し（S2）；受信フラグを以て、従属端から情報を受信したかを判断し（フラグFlagの状態がHIGHの場合、従属端から情報を受信したことを表す）（S3）；従属端により返事された情報を受信した場合、受信フラグをクリアし、ステップ（S1）に戻って次回の検出スキャンニング動作を待ち（S4）；従属端により返事された情報を受信していない場合、該従属端のエラーカウンタに対して+1の累積計算を行い（S5）；該従属端のエラー計数が5に達しているかを判断し、5に達していない場合、ステップ（S1）に戻って次回の検出スキャンニング動作を待ち（S6）；該従属端のエラー計数が5に達している場合、システム主制御端は、該従属端にリセット命令を送信し、該従属端を強制的に再起動するようにさせる（S7）。

本発明の電池システム制御ネットワークは、電動バスの高電圧電池システム稼働の信頼性を保持するために、各従属端（各自が１つの電池の電池管理システムを制御する）のデータ伝送機能が正常であるかを随時にチェックし、伝送機能異常の従属端ノードに対しての処理方法として、本発明は、従来の車用制御ネットワークCAN BUSがノードを強制的にオフラインするやり方を改良し、ノードの伝送機能をオフにする代わりに、ノードをリセットする電池システム制御ネットワークリセット方法を提案している。電動車両の電池管理システムにはすべて電池充放電状況を管理するメカニズム（ソフトウェア）が内蔵されているため、信号の干渉、情報の衝突などの通信干渉要因を排除し、従属端を再起動させれば、システム主制御端は、再び該従属端により管理・制御される電池の状態の情報を取得し、車全体の電池システムの稼働を継続して維持することができる。本発明の電池システム制御ネットワークは、電池システム全体の稼働の維持を最優先にして、従来の車用制御ネットワーク（CAN BUS）がノードの通信を強制的に遮断することを避けることができる。また、それと同時に、従属端に内蔵のウォッチドッグタイマーによるリセットメカニズムを用いて、電池システムが信号の干渉、情報の衝突などの機械的故障でない原因で停止しないことを確保することもできる。

図3は、本発明の実施例による従属端リセット方法のロジカルフロー図である。図3に示すように、該従属端は、ウォッチドッグタイマー（Watch Dog Timer／WDT）を有し、従属端稼働中で、ウォッチドッグタイマーが計時機能を起動し（S01）；従属端がデータバス（CAN BUS）上の情報を受信しているかに基づいて、該従属端の伝送機能が正常であるかを判断し（S02）；従属端の受信機能が正常であれば、ウォッチドッグタイマーの時間をゼロにリセットし、ステップ（S01）に戻り、従属端が情報を受信しなければ、ウォッチドッグタイマーが持続的に計時し（S03）；ウォッチドッグタイマーの時間（即ち、従属端が情報を正常に受信しない時間）が所定のリセット時間（例えば、2秒）を超えたかを判断し（S04）；ウォッチドッグタイマーの時間がリセット時間を超えた場合、ウォッチドッグタイマーは、該従属端（S05）を再起動させ、従属端が情報の衝突、ノイズの干渉などの原因で通信できない状況を排除し、該従属端がその管理・制御する電池管理システムの情報を報告し、及びデータバスからシステム主制御端の制御命令を受信するようにさせ、これにより、電動車両上の動力電池システムが正常に稼働し得るようにさせることができる。

本発明の一実施例では、従属端は、動力電池の電池管理システムに接続され、システムの稼働をモニタリングし、そして、モニタリングした情報をシステム主制御端に伝送し、また、システム主制御端の状態や命令の送達により、全域能動型平衡ロジックを行う。システム主制御端と従属端とが緊密な関係を有するため、通信の安定性は、かなり重要である。従属端がシステム主制御端からの状態情報又は制御命令を正常に受信できないときに、次のように２つの可能性がある。１つは、Error Frameが多過ぎるため、システム主制御端が通信ノードのオフライン状態に入り、情報を正常に送信できないという可能性である。しかし、システム主制御端の情報は、最も高い通信優先度を有し、データが衝突し難いので、このような可能性の発生確率が低い。もう１つは、無効な情報が多過ぎるため、モジュール電池管理システムが受信機能異常になり、通信バス上の情報を正常に受信できないという可能性である。

以上のことから、本発明は、電池システム制御ネットワーク及びそのリセット方法を提供し、電動車両の電池エネルギー管理システム制御ネットワークが通信の干渉、情報の衝突などの機械的故障でない原因で電池管理システムの通信ノードをオフにし、電動車両のエネルギー管理及び安全運転に影響を与えることを防止できる。本発明は、CAN BUSの予め設定されている、通信機能不良のノードを強制的にオフラインにするやり方を改良し、ノードの伝送機能をオフにする代わりに、ノードをリセットする電池システム制御ネットワークリセット方法を提案し、これにより、電動車両、特に、高電圧電池動力システムの電動バスのエネルギー管理及び安全運転のニーズを満たすことができる。本発明は、システム主制御端が全体をモニタリングし、及び従属端が自己検出を行う二重モニタリングメカニズムを使用し、システム主制御端の最高命令権限及び従属端に内蔵のウォッチドッグタイマーを用いて、ノイズの干渉や情報の衝突によるノード通信中断の問題を解決することができる。また、本発明は、電動車、電動バス、電動機車などの乗り物に適用することができ、グリーンエネルギー発電やエネルギー貯蔵装置のエネルギー管理にも適用することができるので、幅広い応用価値及び柔軟性を有する。

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はこの実施形態に限定されず、本発明の趣旨を離脱しない限り、本発明に対するあらゆる変更は本発明の技術的範囲に属する。

11 システム主制御端
121 従属端
122 従属端
13 データバス
S1〜S7 システム主制御端リセット方法のロジカルフロー
S01〜S05 従属端リセット方法のロジカルフロー

Claims

電池システム制御ネットワークであって、
データバスに電気的に接続されるシステム主制御端；及び
前記データバスに電気的に接続される１つ以上の従属端を含み、
前記１つ以上の従属端は、それぞれ、１つの電池の電池管理システムの稼働を制御し、且つウォッチドッグタイマー（Watch Dog Timer／WDT）を有し、
前記システム主制御端は、所定のモニタリング時間毎に、すべての従属端がデータを正常に伝送できるかをモニタリングし、正常に伝送できない従属端についてそのエラー回数を累積計算し、従属端のエラー回数が所定のリセット閾値を超えたときに、前記システム主制御端は、該従属端にリセット命令を送信し、
従属端が正常にデータを伝送できない時間が所定のリセット時間を超えたときに、対応するウォッチドッグタイマーは、該従属端に対してリセット動作を行う、電池システム制御ネットワーク。
請求項1に記載の電池システム制御ネットワークであって、
前記所定のモニタリング時間は、0.5秒である、電池システム制御ネットワーク。
請求項1に記載の電池システム制御ネットワークであって、
前記所定のリセット閾値は、5である、電池システム制御ネットワーク。
請求項1に記載の電池システム制御ネットワークであって、
前記所定のリセット時間は、2秒である、電池システム制御ネットワーク。
請求項1に記載の電池システム制御ネットワークであって、
前記データバスは、CAN BUS、CANopen、MiCAN、FlexRay、又は他の種類の自動車両システム制御ネットワークである、電池システム制御ネットワーク。
電池システム制御ネットワークのリセット方法であって、
請求項1に記載の電池システム制御ネットワークに用いられ、
前記リセット方法は、下記ステップを含み、即ち、
（a）前記システム主制御端が、所定のモニタリング時間毎に、前記データバスにより、すべての従属端に検出情報を送信し、各従属端からの返事があるかをモニタリングし；
（b）従属端が前記検出情報に対して正常に返事したときに、前記システム主制御端は、正常に返事した該従属端のエラー回数をゼロにし、そして、ステップ（a）の動作を繰り返し；
（c）従属端が前記検出情報に対して正常に返事しなかったときに、前記システム主制御端は、正常に返事しなかった該従属端のエラー回数に１を加算し、そして、ステップ（a）の動作を繰り返し；及び
（d）従属端のエラー回数が所定のリセット閾値を超えたときに、前記システム主制御端は、該従属端にリセット命令を送信し、該従属端を強制的に再起動するようにさせるステップである、電池システム制御ネットワークのリセット方法。
請求項6に記載の電池システム制御ネットワークのリセット方法であって、
下記ステップをさらに含み、即ち、
（e）前記従属端が、毎回、前記該データバスから伝送されて来た情報を正常に受信できたときに、前記ウォッチドッグタイマーをゼロにリセットし；及び
（f）前記従属端が所定のリセット時間を超えても情報を正常に受信できないときに、対応するウォッチドッグタイマーは、該従属端に対してリセット動作を行うステップである、電池システム制御ネットワークのリセット方法。
請求項6に記載の電池システム制御ネットワークのリセット方法であって、
前記所定のモニタリング時間は、0.5秒である、電池システム制御ネットワークのリセット方法。
請求項6に記載の電池システム制御ネットワークのリセット方法であって、
前記所定のリセット閾値は、5である、電池システム制御ネットワークのリセット方法。
請求項7に記載の電池システム制御ネットワークのリセット方法であって、
前記所定のリセット時間は、2秒である、電池システム制御ネットワークのリセット方法。